目前，鈣鈦礦材料在科研界引起了一波研究熱潮，有大量?jī)?yōu)秀的文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了報(bào)道，其應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣泛，這種現(xiàn)象的原因主要有以下兩點(diǎn)：1）鈣鈦礦材料在太陽(yáng)能電池上性能中具有決定性的影響力；2）鈣鈦礦材料也被用于光電轉(zhuǎn)化，電催化，LED等各種領(lǐng)域；近期，1篇Science，3篇Nature子刊均出現(xiàn)了關(guān)于鈣鈦礦的報(bào)道，靈元素小編帶你一起速覽最新的優(yōu)秀論文~

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?1. Nature：具有寬域溫度的p-i-n鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

一般情況下，基于常規(guī)的n-i-p架構(gòu)，單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）報(bào)告的最高功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）大于25%。然而，倒置p-i-n PSC具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括源自非摻雜空穴傳輸材料的低溫加工性和長(zhǎng)期操作穩(wěn)定性。盡管如此，它們的PCE較低，這種較低的性能主要與非輻射復(fù)合損耗和電荷提取減少有關(guān)，這源于鈣鈦礦體相和界面接觸中的高密度缺陷。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，環(huán)境溫度變化會(huì)限制PSC性能，鈣鈦礦會(huì)經(jīng)歷嚴(yán)重的離子遷移、相變和溫度誘導(dǎo)應(yīng)變，從而導(dǎo)致較低的PCE。因此，開發(fā)具有熱循環(huán)穩(wěn)定性的高效PSC對(duì)于推進(jìn)其應(yīng)用至關(guān)重要。在此，德國(guó)亥姆霍茲柏林材料與能源中心Antonio?Abate教授，李萌博士和Luyao Wang（共同通訊作者）使用聚合物偶極子優(yōu)化三元陽(yáng)離子鹵化物鈣鈦礦Cs?0.05?(FA?0.98?MA?0.02?)?0.95?Pb(I?0.98?Br?0.02?)3薄膜的體相和表面。

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其中，聚合物偶極子通過(guò)降低黑色光活性相的形成能促進(jìn)了低缺陷晶膜的生長(zhǎng)，鈣鈦礦表面偶極子的形成抑制了離子遷移，促進(jìn)了界面電荷提取，同時(shí)增強(qiáng)了疏水性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在9.6 mm2的有效面積上實(shí)現(xiàn)了24.2%的認(rèn)證PCE，實(shí)驗(yàn)室記錄的PCE在18 mm2以上為 24.6%，1cm2為23.1%。更加重要的是，高PCE在嚴(yán)重的熱循環(huán)（120個(gè)循環(huán)，從-60到+80℃）下穩(wěn)定性較高，證明了晶體結(jié)構(gòu)對(duì)溫度誘導(dǎo)應(yīng)變的彈性。相關(guān)論文以“Highly efficient p-i-n perovskite solar cells that endure temperature variations”為題發(fā)表在Nature。

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赫姆霍茲材料與能源中心博士生李桂香和中國(guó)科學(xué)院上海高等研究所蘇圳煌博士為文章共同第一作者。

2. Nature Nanotechnology：軟晶格鹵化鉛鈣鈦礦中光載流子誘導(dǎo)的持久結(jié)構(gòu)極化

鹵化鉛鈣鈦礦在各種光電子學(xué)中的成功應(yīng)用，激發(fā)了人們對(duì)其基本光載流子動(dòng)力學(xué)的極大興趣。在此，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校?段鑲鋒?教授和加州大學(xué)圣克魯茲分校?平遠(yuǎn)?教授（共同通訊作者）發(fā)現(xiàn)了鹵化鉛鈣鈦礦中光載流子誘導(dǎo)的持久性結(jié)構(gòu)極化和局部鐵電性。

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在10K時(shí)薄膜單晶CsPbBr3的光導(dǎo)研究表明，其具有超過(guò)106s的超長(zhǎng)光載流子壽命，顯示出持久的持續(xù)光導(dǎo)。X射線衍射（XRD）研究表明，光載流子誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)偏振的存在溫度達(dá)到臨界凍結(jié)溫度。低溫下的光電電容研究進(jìn)一步證明了在增加照明下，從線性電介質(zhì)到順電和松弛鐵電體的系統(tǒng)局部相變。同時(shí)，本文的理論研究強(qiáng)調(diào)了光載流子-聲子耦合和大極化子形成在驅(qū)動(dòng)局部弛豫鐵電相變中的關(guān)鍵作用。研究結(jié)果表明，這種光載流子誘導(dǎo)的持續(xù)結(jié)構(gòu)極化能夠在低溫下形成鐵電納米域，從而抑制載流子重構(gòu)，并為探索有趣的載流子-聲子相互作用和豐富的極化子光物理學(xué)提供了可能性。相關(guān)論文以“Photocarrier-induced persistent structural polarization in soft-lattice lead halide perovskites”為題發(fā)表在Nature Nanotechnology。

3. Nature Energy：用于地面和太空的鈣鈦礦太陽(yáng)能阻擋層

近地空間的太陽(yáng)能裝機(jī)容量預(yù)計(jì)將在未來(lái)十年呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，從目前的MWs級(jí)增長(zhǎng)至GWs級(jí)。同時(shí)，隨著太空互聯(lián)網(wǎng)成為現(xiàn)實(shí)，SpaceX星鏈、亞馬遜的Project Kuiper和英國(guó)政府的OneWeb等項(xiàng)目計(jì)劃向近地軌道（LEO）發(fā)射總計(jì)10萬(wàn)顆衛(wèi)星。

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利用太空太陽(yáng)能并將其發(fā)射到地球，通過(guò)在高橢圓軌道上安裝太空太陽(yáng)能電池來(lái)為電網(wǎng)供電的興趣也在增加。因此，需要一種低成本的輕質(zhì)太陽(yáng)能技術(shù)，該技術(shù)能夠抵御包括輻射、熱循環(huán)、原子氧和高真空在內(nèi)的挑戰(zhàn)，金屬鹵化物鈣鈦礦是一種潛在的下一代空間光伏（PV）技術(shù)。在此，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室?Joseph M. Luther?教授和?Ahmad R. Kirmani?教授（共同通訊作者）介紹了一種用于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在工業(yè)上可行的金屬氧化物阻擋層技術(shù)，同時(shí)選擇了氧化硅（SiO）來(lái)證明這一概念，其成本低且易于通過(guò)熱蒸發(fā)沉積。質(zhì)子-鈣鈦礦相互作用的理論模擬表明，最佳厚度為1μm，以完全阻斷~0.05 MeV能量范圍內(nèi)最具破壞性的低能質(zhì)子。

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研究表明，這種低能量范圍內(nèi)的質(zhì)子在空間中含量高，可以在整個(gè)微米厚的鈣鈦礦器件中相互作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SiOx被發(fā)現(xiàn)可以提高輻射耐受性，使得太陽(yáng)能電池暴露在1015cm-2和0.05 MeV質(zhì)子的通量下沒(méi)有受到傷害。此外，SiO還發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)抑制照射時(shí)揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)的滲出，來(lái)保護(hù)太陽(yáng)能電池免受穿透屏障層的高能量質(zhì)子和α粒子的影響。SiOx暴露在紫外線臭氧（UVO）處理期間，從而將電池封頂?shù)皆友跎希沟贸跏脊β兽D(zhuǎn)換效率（PCE）沒(méi)有變化。

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有趣的是，還發(fā)現(xiàn)SiOx屏障能夠提高太陽(yáng)能電池對(duì)陸地壓力源（水分和極性溶劑）的彈性，其用途比最初設(shè)想的要廣泛。與傳統(tǒng)的玻璃封裝膠相比，氧化物阻擋技術(shù)使太陽(yáng)能電池陣列重量減輕了99%，將太陽(yáng)能電池的比功率從134 W kg-1提高到277 W kg-1，將封裝劑成本降低了99.97%，并將有利于鈣鈦礦光伏的空間和地面同時(shí)使用。相關(guān)論文以“Metal oxide barrier layers for terrestrial and space perovskite photovoltaics”為題發(fā)表在Nature Energy。

4. Nature Materials：混合金屬鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體中的電荷傳輸

金屬鹵化物鈣鈦礦已成為過(guò)去十年中最令人興奮的新興半導(dǎo)體技術(shù)之一，光伏功率轉(zhuǎn)換效率從2009年的3.8%到今天的 25.7%。光伏領(lǐng)域前所未有的發(fā)展也體現(xiàn)在其他新興應(yīng)用中，包括發(fā)光二極管、激光器、光電探測(cè)器和輻射探測(cè)器。由于室溫附近的不良離子遷移效應(yīng)和偶極紊亂不穩(wěn)定性，特別是在甲基銨和鉛基高性能三維鈣鈦礦中普遍存在，因此研究三維鹵化鉛鈣鈦礦固有的場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電荷傳輸行為在很大程度上仍然具有挑戰(zhàn)性。在此，印度國(guó)家科學(xué)教育研究所Satyaprasad P. Senanayak教授和英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室Henning Sirringhaus教授，Samuel?D.?Stranks教授（共同通訊作者）通過(guò)探索混合甲酰胺-銫（FA-Cs）金屬鹵化物鈣鈦礦中的Pb-Sn合金化來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，這些器件表現(xiàn)出近乎理想的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）性能和可調(diào)的p型遷移率，從而能夠探測(cè)這類鈣鈦礦中固有的電荷傳輸機(jī)制。對(duì)于最佳的混合成分Cs?0.15?FA?0.85?Pb?0.5?Sn?0.5?I?3?，作者在室溫下實(shí)現(xiàn)了5.4 cm?2?V-1s-1?的高空穴遷移率，這也是三維鈣鈦礦薄膜FET中報(bào)道的最高的p型場(chǎng)效應(yīng)遷移率之一。

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此外，通過(guò)結(jié)合與溫度相關(guān)的輸運(yùn)測(cè)量和偏置下的光致發(fā)光（PL）顯微鏡，證明了添加Sn抑制的離子遷移，并將這些發(fā)現(xiàn)與混合金屬基鈣鈦礦器件的高遷移率和操作穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián)。與純Sn鈣鈦礦相比，其表現(xiàn)出更高的環(huán)境穩(wěn)定性，并且正在積極開發(fā)用于光電應(yīng)用，包括全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池和近紅外LED。

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相關(guān)論文以“Charge transport in mixed metal halide perovskite semiconductors”為題發(fā)表在?Nature Materials?。

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